YT15硬质合金刀片深冷处理工艺实验研究*

阎红娟 徐宏海 罗学科

(北方工业大学机电工程学院，北京 100144)

自1965年深冷处理应用于改善工模具的性能以来，大量的试验研究表明深冷处理能够明显改善材料的显微组织，提高材料的力学性能，尤其是耐磨性［1-2］。目前，国内对于刀具深冷处理研究处于探索阶段，不同材料刀具的具体深冷处理机理和工艺是该技术进入实用领域的瓶颈。因此分析深冷处理前后材料性能的变化，探索深冷处理因素对深冷处理效果的影响成为深冷处理研究的重点。

本文采用正交试验方法对YT15深冷处理工艺进行研究，考虑各种因素(如冷却速率、深冷温度、深冷保温时间和回火温度等)对深冷处理效果的影响，通过分析经各种不同深冷工艺处理后硬质合金车刀的性能，确定影响YT15深冷处理效果的各因素的主次关系，为合理制定硬质合金深冷处理工艺提供了依据。

1 试验方案

1.1 车刀参数

车刀材料选用为YT15，几何参数：主偏角60°，副偏角 30°，前角 15°，后角 6°，副后角 6°。

1.2 实验方法

影响深冷处理效果的因素很多，其中深冷处理工艺参数中冷却速度、深冷温度、深冷保温时间以及回火温度是主要因素［3］。为确定各因素对深冷处理后力学性能影响的主次关系，以洛氏硬度(HRA)、后刀面磨损量VB等性能数据作为考查指标，采用多指标多因素的正交试验设计方法，在不考虑交互作用的情况下分析试验结果。本试验采用4因素3水平(表1)正交设计，选用L9(34)型正交表安排实验。

1.3 深冷实验

采用SLX-250型微机控制深冷箱对刀片进行深冷实验，冷却介质为液氮。除正交试验表1中的因素外，其他因素在9次深冷试验中设为常值，其中深冷后加热速度为2℃/min，回火时间为1 h，回火后冷却速度为2℃/min。

表1 因素水平表

1.4 硬度实验

使用TH300洛氏硬度计测量每次深冷前后的刀具硬度值，具体数值见表2。

1.5 车削实验

在CK40数控车床上进行切削实验，工件材料为45钢，工件平均硬度为90.2 HRB。切削用量：进给量f=0.25 mm/r，切削速度v=70 m/min，切削深度ap=1.5 mm。图1为加工2000 mm后使用SEM观察后各实验刀具后刀面磨损情况。

表2 深冷前后硬度对比

2 实验结果分析

2.1 刀具磨损对比实验

以后刀面磨损量VB=0.5 mm作为刀具磨钝标准。未经深冷处理的车刀车削加工4200 mm后，后刀面磨损量达到0.451 mm，因此以车削加工4200 mm对比刀具后刀面磨损量。使用SEM测量车削加工4200 mm时刀片的后刀面磨损量VB，并将其与深冷处理前后刀片硬度增加值填入正交试验表中，并进行极差分析，如表3所示。

从表3中可以看出，经深冷处理后刀具硬度提高了0.234～0.733 HRA；深冷处理的后刀面磨损量VB为深冷前刀具的27.68%～77.43%。经深冷处理工艺2处理后的刀具后刀面磨损量最小。利用极差分析深冷工艺参数对实验结果的影响，得到RB＞RA＞RD＞RC，因此深冷温度对刀具性能影响最大，其次是冷却速度，再次是回火温度，最后是深冷保温时间。在目前实验条件下，对于材料硬度，最佳深冷工艺为：A3B1C3D2；对于刀具磨损量，最佳深冷处理工艺为：A1B2C2D2。最佳工艺中，只有深冷后回火温度的最优温度相同。表3中数据显示，硬度的提高较大时，对耐磨性的改善并非最好。如工艺7中，深冷处理后刀具的硬度提高最大，而刀具后刀面磨损量并非最小。因此深冷处理过程中材料硬度的提高并不是提高刀具耐磨性的主要原因。考虑到在实际生产中，磨损量越小，刀具耐用度越好，因此以刀具磨损量作为衡量标准。在当前实验条件下进行硬质合金刀片深冷处理实验时，最佳深冷处理工艺为：冷却速度为2℃/min，深冷处理温度为-150℃，深冷保温时间为2 h，深冷回火温度为140℃。

表3 深冷处理前后正交试验结果及极差分析

2.2 微观结构分析

硬质合金 YT15的主要成分为 WC(79%)、TiC(15%)和粘结相Co(6%)。使用德国布鲁克D8 Ad-vaice X射线衍射仪对WC、TiC和粘结相Co的晶格常数进行测量，其结果见表4。

表4 WC、TiC和Co的晶格常数

从表4中可知，WC和TiC的晶格常数在深冷前后差别不明显。在未经深冷的刀片中有面心六方的Co(α-Co)和密排立方的Co(ε-Co)，而在深冷后的刀片中只有密排六方的Co(ε-Co)，据此经深冷处理后，硬质合金中金属Co发生了多型性马氏体转变。因此深冷处理提高YT15刀具耐磨性的主要原因是深冷处理促使粘结相Co发生了多型性马氏体转变，使α-Co完全转变为ε-Co。

3 结语

(1)使用正交试验研究了深冷处理工艺参数对YT15硬质合金刀片性能的影响，结果表明，深冷温度对刀片性能影响最大，其次是冷却速度，再次是回火温度，最后是深冷保温时间。在当前实验条件下进行硬质合金刀片深冷处理实验时，最佳深冷处理工艺：冷却速度为2℃/min，深冷处理温度为-150℃，深冷保温时间为2 h，深冷回火温度为140℃。

(2)X射线衍射仪测量结果表明，WC和TiC的晶格常数变化不明显，粘结相Co发生了多型性马氏体转变。深冷处理促使α-Co完全转变为ε-Co，这是提高高速钢硬度和耐磨性的重要原因。

［1］阎红娟，徐宏海，王洪艳，等.深冷处理对W4Mo3Cr4VSi钻头性能影响的实验研究［J］.现代制造工程，2009(4)：72-73.

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［3］J.D.Darwin，D.Mohan Lal，G.Nagarajan.Optimization of cryogenic treatment to maximize the wear resistance of 18%Cr martensitic stainless steel by Taguchi method［ J］.Journal of materials processing technology，2008(19)：241-247.

［4］段春争，王敏杰，蔡玉俊.W18Cr4V高速钢循环深冷处理后的力学性能和微观组织［J］.机械工程材料，2008，32(5)：23-25.

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